الإشعاعات الكهرومغناطيسية Electromagnetic radiation
الطاقة والمادة صورتان مختلفتان لشيءٍ واحد , فالمادة يمكن أن تتحول إلى طاقة والطاقة إلى مادة وذلك حسب المعادلة المشهورة وقد نجح الإنسان في تحويل المادة إلى طاقة وذلك في المفاعلات الذرية التي تولد لنا الكهرباء ولو أن تحكمه في هذا التحويل لا يزال يمر بأدوار تحسين وتطوير , وكذلك فقد نجح الإنسان - ولو بدرجة أقل بكثير
- من تحويل الطاقة إلى مادة وذلك في المعجلات ولو أن ذلك مازال يتم حتى الآن على مستوى الجسيمات . فتحول المادة إلى طاقة والطاقة إلى مادة أمر ممكن علميا وعمليا فالمادة والطاقة قرينان , ولا يعطل حدوث هذا التحول على نطاق واسع إلا صعوبة حدوثه والتحكم فيه تحت الظروف والإمكانيات العلمية والعملية الحالية , ولا شك أن التوصل إلى الطرق العلمية والوسائل العملية المناسبة لتحويل الطاقة إلى مادة والمادة إلى طاقة في سهولة ويسر يستدعي تقدما علميا وفنيا هائلين
تعريف المفهوم
نشأ علم المغناطيسية من ملاحظة أن بعض الأحجار وتسمى Magnetite Fe3O4 تجذب إليها جسيمات الحديد. و كلمة مغناطيسية Magnetism هي مشتقة من منطقة ماغنيسيا Magnesia في آسيا الصغرى حيث توجد هذه الأحجار. وكما هو معروف أن الكرة الأرضية نفسها هي مغناطيس دائم.
تاريخ العلم
في عام 1820 لاحظ العالم اورستد Orested أنه إذا مر تيار في سلك فإنه ينشأ تأثير مغناطيسي متمثلا في انحراف إبرة مغناطيسية موضوعة بجوار السلك، وكما سندرس لاحقا أن المجال المغناطيسي ينشأ عن الشحنات في حالة حركة (تيار كهربي) وقد ربط اكتشاف اورستد علاقة بين علم الكهربية وعلم المغناطيسية.
تعرف المنطقة المحيطة بمغناطيس دائم أو موصل يمر به تيار بمنطقة مجال مغناطيسي Magnetic field والمقصود بكلمة مجال field هو تأثير فيزيائي يأخذ قيم مختلفة في الفراغ. والمتجه الأساسي في التأثيرات المغناطيسية يسمى متجه الحث المغناطيسي Magnetic induction vector ويرمز له بالرمز B.
يمكن تمثل المجال المغناطيسي بخطوط القوى المغناطيسية بحيث يكون كثافة الخطوط لكل وحدة مساحات من عنصر مساحة عمودي على اتجاه خطوط القوى هو مقدار المجال المغناطيسي. ويكون اتجاه المماس لخط القوى عند أي نقطة عليه يعطي اتجاه المجال المغناطيسي B عند تلك النقطة.
الطيف الكهرومغناطيسي أو الأشعة الكهرومغناطيسية أو الأمواج الكهرومغناطيسية كلها تحمل نفس المعني الفيزيائي وحين التحدث عن جزء خاص من هذا الطيف الكهرومغناطيسي مثل الضوء المرئي والمايكروويف وأشعة اكس وأشعة جاما وموجات التلفزيون والراديو كلها عبارة أشعة تعرف باسم الأشعة الكهرومغناطيسية Electromagnetic Radiation وكلها لها نفس الخصائص ولكنها تختلف في الطول الموجي Wavelength والتردد Frequency ولتوضيح ذلك استعن بالعرض التوضيحي أدناه . لاحظ أنه كلما ازداد الطول الموجي قل التردد والعكس صحيح.
الأشعة الكهرومغناطيسية
وهذا سبب تكون الأشعة الكهرومغناطيسية حيث إن تذبذب الشحنات المكونة للذرة يؤدي إلى انبعاث الطيف الكهرومغناطيسي والذي يقوم بدور الزنبرك هو درجة الحرارة التي تمد الشحنات بالطاقة أو إي نوع من أنواع الإثارة Excitation مثل التصادمات وغيره.
ويعتمد الطول الموجي للأشعة الكهرومغناطيسية على درجة إثارة الشحنة ومن هنا نجد إن الطيف الكهرومغناطيسي له مدى واسع وللتميز بين الأطوال الموجبة أعطيت أسماء مختلفة مثل أشعة المايكروويف والأشعة المرئية وأشعة اكس وأشعة جاما وهكذا كما نلاحظ في الشكل أعلاه.
خصائص الأشعة الكهرومغناطيسية
الأشعة الكهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ بسرعة ثابتة هي سرعة الضوء وقيمتها 103xs8/m2. تنتقل هذه الأشعة في الفراغ وتنقل الطاقة من المصدر source إلى المستقبل receiver. تم اكتشاف هذه الأشعة على مراحل حيث كان العالم هرتز Hertz 1887 أول من عمل في هذا المجال وكان في ذلك الوقت فقط أشعة الراديو والأشعة المرئية ومن ثم تم اكتشاف باقي الطيف الكهرومغناطيسي من خلال الملاحظات والظواهر الفيزيائية.
الأشعة الكهرومغناطيسية لها طول موجي l وتردد n يحدد خصائصها وترتبط سرعة الأشعة الكهرومغناطيسية مع التردد والطول الموجي من خلال المعادلة
c = n l
كما هو واضح في الشكل أعلاه مخططا لكامل الطيف الكهرومغناطيسي حيث يبدأ من أمواج الراديو ذات الطول الموجي الطويل والتردد المنخفض ثم منطقة أشعة المايكروويف ومنطقة الأشعة تحت الحمراء ثم منطقة الأشعة المرئية ثم منطقة الأشعة فوق البنفسجية ثم منطقة أشعة اكس ثم منطقة أشعة جاما. وهذا التسلسل هو تبعا لزيادة تردد هذه الموجات.
ولكل منطقة من مناطق الطيف الكهرومغناطيسي خصائص تميزها عن بعضها البعض وبناء عليه نتجت تطبيقات مختلفة لهذه الأشعة وللعلم فإن منطقة الطيف المرئي هي التي منحنا الله سبحانه وتعالى القدرة على رؤيتها وهي المنطقة التي تستجيب لها شبكية العين لتتمكن من رؤية الأشياء من حولنا.
تجدر الإشارة إلى أن الأشعة الكهرومغناطيسية لها طاقة تعطى بالمعادلة
E = h n
حيث أن الثابت h هو ثابت بلانك
h = 6.6x10-34 J.s
وتستخدم وحدة الإلكترون فولت للتعبير عن طاقة الأشعة الكهرومغناطيسية
1 e.v. = 1.6 x 10-19 J
نستنتج من ذلك أنه كلما زاد التردد ازدادت الطاقة وعليه فإن طاقة أشعة جاما اكبر ما يمكن في الطيف الكهرومغناطيسي وكما نعلم إن جسم الإنسان يتحمل طاقة أقصاها طاقة الطيف المرئي وتعتبر طاقة الطيف فوق الأزرق ضارة وتسبب حرق لخلايا الجسم وكذلك طاقة أشعة اكس تستطيع اختراق الجلد البشري والتعرض لها يسبب خطورة كبيرة.
تتدرج ألوان قوس قزح من الأحمر حتى البنفسجي ممثلة بذلك جميع ألوان الطيف. يوجد في اللون الأحمر ترددات منخفضة (إذا أمكننا رصدها بالتحديد فهي تصل إلى 500 مليون ذبذبة في الثانية)، في حين يكون طول الموجة طويلاً (أي يصل إلى 0.6 ميكرو متر)، أما في اللون البنفسجي، فتكون الترددات مرتفعة (تصل إلى 750 مليون ذبذبة في الثانية)، في حين أن طول الموجة يكون قصيرا ولكن العين لا تكون حساسة لتلك الإشعاعات الكهرومغناطيسية ولا تراها العين،
وتسمى تلك الترددات بالفوق البنفسجية، ولكن بالرغم من عدم رؤيتنا إياها، فالضوء موجود بما يحتويه من أشعة فوق بنفسجية، وقد نشعر بوجودها حين تؤدي إلى إحداث حروق بالجلد. لذلك أحذر المصابيح التي تعمل ببخار الزئبقي، عن طريق غلافها المصنوع من السليس فهي تسمح بمرور الأشعة فوق البنفسجية. يمتد الطيف الإلكترومغناطيسي إلى ما هو أبعد من الأشعة فوق البنفسجية، وهي ما نسميه فوق البنفسجي الأقصى أو بالأشعة السينية الرخوة (X-RY) ويتراوح طول موجتها ما بين 300 جزء في البليون من الأمتار وبعض جزء من البليون من المتر، ثم تأتي بعد مجال الأشعة السينية، مجال أشعة آخر يصل طول موجاته إلى ما فوق الجزء من البليون من الأمتار وذلك من حيث كبر المساحات التي تفصل ما بين الذرات وبعضها، ومما يسمح بتفتتهم عبرالبلورات.
وأخيراً بعد مجال الأشعة السينية الصلبة، نصل إلى مجال أشعة جاما التي تنتج عن التفاعلات النووية كما هو الحال مع الضوء الذي ينبعث من التحولات التي تحدث للذرات وللجزيئات.
أما في الجانب الأخر من الطيف، نجد الأشعة تحت الحمراء والتي يصل طول موجاتها إلى 300 ميكومتر أسفل الأشعة تحت الحمراء، يوجد مجال التوتر السريع (وهي موجات كهرومغناطيسية قصيرة ولكنها عالية بالنسبة للأجهزة الكهربائية التي تبثها كالكليسترون [وهو أنبوب مفرغ لتقوية الذبذبات الكهرومغناطيسية] والكارسيرترون والمجنترون [وهو حمام مفرغ يكون تدفق الإلكترونات فيه خاضعا لتأثير مجال مغناطيسي خارجي]. ويعد فرن الميكروويف من هذه الأجهزة التي تعمل بالموجات الكهرومغناطيسية القصيرة. أما بالنسبة للأجهزة التي تعمل بمجال الترددات الأكثر انخفاضا، مثل مجال هرتزين في الاتصالات عن بعد والتلفيزيون والراديو، حيث يصل طول موجاتها الإذاعية إلى عدة مئات الأمتار وتنتشر الترددات إلى بضع مئات الكيلو سيكل. على سبيل المثال،
تمتد أسلاك الكهرباء الخاصة بشركة الكهرباء الفرنسية (EdF=Electricité de France) لأكثر من 50 سيكل في الثانية لموجات يصل طولها إلى 6000 كم. ولكني لا أعرف تطبيقات أخرى خاصة أنه يتم نقل كل الطاقة عبر أسلاك فأنا لا أملك الكثير من المعلومات الفنية بهذا الصدد.
وقد أطلق على هذه الاكتشاف اسم التأثير الكهرومغناطيسي والذي سمح لاحقا باختراع أول مولد للكهرباء وهو عبارة عن تيار كهربي يتولد عن طريق حركة ميكانيكية وليس نتيجة لتفاعل كيميائي كما تمكن العلماء بعد ذلك من اختراع أول محول قادر علي تصعيد الجهد الكهربي لتصبح هذه العناصر (المحرك – المولد – المحول – المحرك) من أهم أركان صناعة الكهرباء.
الموجات الكهرومغناطيسية
صورة اضطراب تنتشر بها الطاقة في الفراغ على شكل مجالين مترددين أحداهما مجال كهربائي والأخر مجال مغناطيسي في مستويين يتعامدان على بعضهما كما يتعامدان على اتجاه انتشار الموجة.
خصائص الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ بسرعة ثابتة تساوي 3x108 ms-1
لا تتأثر بالمجالات الكهربائية أو المغناطيسية
تنتشر في خطوط مستقيمة وتخضع للخصائص الموحية من حيث الحيود والتداخل
موجات مستعرضة قابلة للاستقطاب
طيف الموجات الكهرومغناطيسية
تشغل الموجات الكهرومغناطيسية حيزا كبيرا من الترددات وتتنوع وتختلف عن بعضها في طبيعة مصدرها وطريقة اكتشافها واختراقها للأوساط المختلفة ولكنها تتفق في الخصائص العامة
ينقسم طيف الموجات الكهرومغناطيسية إلى :
موجات الراديو
الأشعة تحت الحمراء
الضوء المرئي
الأشعة فوق البنفسجية
الأشعة السينية
أشعة جاما